保护生物学讲义.docx
《保护生物学讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《保护生物学讲义.docx（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
保护生物学讲义
保护生物学讲义
绪论
1.1定义*（Definition）
*研究生物多样性保护的科学,即研究从保护生物物种及其生存环境着手来保护生物多样性的科学。
研究人类社会活动和环境变化对生物多样性的影响，以及如何对自然生态系统进行有效的管理与保护，使之能够为人类持续利用的一门学科。
研究直接或间接受人类活动或其它因子干扰的物种、群落、生态系统的生物学。
研究保护物种，保存生物多样性和持续利用生物资源问题的学科。
生物多样性的定义与层次*
生物多样性是生物及其与环境形成的生态复合体，以及与此相关的各种生态过程的总和。
包括动物、植物、微生物和它们所拥有的基因以及它们与其生存环境形成的复杂的生态系统。
*四个层次：
遗传（基因）多样性、物种多样性、生态系统多样性、（景观多样性）
遗传多样性指生物体内决定性状的遗传因子及其组合的多样性。
它决定其他两个层次的生物多样性。
物种多样性指生命的有机体即动物、植物、微生物物种的多样化。
生态系统多样性指生物圈内生境、生物群落和生态系统的多样性以及生态系统内生境差异、生态过程变化的惊人的多样性，代表各种不同生境条件下物种的群集反应。
1.2生物多样性的价值
1.3人类与自然关系的演化
1.4生物多样性的危机及其根源
1.5保护生物学的诞生
1.6保护生物学的结构和特征
1.7保护生物学的未来研究
第一章遗传多样性*
geneticdiversity
Definitionsofgeneticdiversity
广义：
指地球上所有生物所携带的遗传信息的总和。
通常谈及生态系统多样性或物种多样性时也就包含了各自的遗传多样性。
*狭义：
主要指种内不同群体间（两个隔离地理种群间）及单个群体（种群）内个体间的遗传变异总和，即基因多样性（genediversity）。
一、遗传多样性的含义
遗传多样性是指生物种内的遗传变异；
遗传多样性的表现是多层次的；
遗传多样性是指种内可遗传的变异；
遗传多样性的本质是生物体在遗传物质上的变异，即编码遗传信息的核酸（DNA或RNA）在组成和结构上的变异。
二、遗传多样性的起源
遗传突变mutation，包括点突变和染色体突变
重组
染色体突变
染色体突变是指染色体结构、数目和大小的改变
染色体结构的变化有几种情况：
缺失deletion，即染色体上一个片段的丢失；
重复duplication，即染色体上某些片段的重复性增加；
倒位inversion，即染色体内部结构的顺序发生颠倒；
易位translocation，即非同源的染色体片段出现了交换。
染色体数目的变化包括非整倍体、单倍体和多倍体现象
点突变
指在核酸上一个或少数核苷酸的改变，包括：
碱基替换basesubstitution：
指一个碱基对被另一个碱基对替换。
插入或缺失突变（或称移码突变frameshiftmutation）：
指一个或几个碱基对的增加或丢失，可造成蛋白质的氨基酸序列发生较大的变化。
重组
包括DNA分子间重组和染色体重组
DNA重组指DNA分子间通过交换等相互作用而产生新的分子形式。
染色体重组，传统上也称遗传重组，通常指两个同源染色体间部分区段的交换或互换。
遗传多样性表现形式的层次*
–在分子水平，可表现为核酸、蛋白质、多糖等生物大分子的多样性；
–在细胞水平可体现在染色体结构的多样性以及细胞结构与功能的多样性；
–在个体水平，可表现为生理代谢差异、形态发育差异以及行为习性的差异。
–遗传多样性通过对上述各层次的生物性状的影响，导致生物体的不同适应性，进而影响生物的分布和演化。
–许多遗传变异并不导致任何可观测到的表型上的差异。
三、检测遗传多样性的主要方法
形态学水平
染色体水平
等位酶水平
DNA水平
四、研究遗传多样性的意义
有助于进一步探讨生物进化的历史和适应潜力；
有助于推动保护生物学研究；
有助于生物资源的保存和利用。
第二章物种多样性
speciesdiversity
一、物种多样性的概念*
*指生命的有机体即动物、植物、微生物物种的多样化。
代表物种演化的空间范围和对特定环境的生态适应性，同时给人们提供了资源和后备资源。
物种多样性的两方面含义*
（1）一定区域内物种的总和。
主要从分类学、系统学和生物地理学角度对物种的状况进行研究，或称为区域物种多样性；
（2）生态学方面的物种分布的均匀程度，常常是从群落组织水平上进行研究，或称生态多样性或群落物种多样性。
两种含义的区别主要在于研究的层次和尺度的不同。
前一种含义主要通过区域调查进行研究，后一种含义主要是通过样方或样点在群落水平上进行研究。
新种连续不断被发现。
上个世纪发现的两个重要的新种是涉及到了“活化石”（livingfossil），即该种被认为早已灭绝。
1938年印度洋矛尾鱼（Latimeriachalumnae），属于海洋鱼类腔棘鱼，它们曾在古海洋普遍分布，但认为在650万年前已灭绝。
进化生物学家对腔棘鱼有特别的兴趣，因为它被认为可能是最初陆生动物的祖先。
1945年于四川东部（现湖北省利川县）发现了水杉（Metasequoiaglytostroboides）。
随后的调查和植物学研究弄清楚了这种树木属于一个曾在中生代广泛分布并遍及北半球的植物属，但它显然已经在数千万年前灭绝。
其它更多不显眼的种？
物种多样性特丰富国家*
巴西、哥伦比亚、厄瓜多尔、秘鲁、墨西哥、扎伊尔、马达加斯加、澳大利亚、中国、印度、印度尼西亚、马来西亚在内的12个生物多样性特丰富国家拥有全世界60-70%甚至更高的生物多样性。
重要生物类群物种数目最多的前10个国家
热点地区及特有物种
Myers（1988－1990）提出18个物种多样性热点地区属于热带的有14个，属于地中海类型的有4个。
它们虽然仅有地球表面积的0.5%，却拥有全球20%的植物物种，拥有50000个特有植物物种。
Internationalhot-spots
（Myersetal,2000）
•热点地区的选择：
–特有性
1500种特有维管植物
（世界植物总数的0.5%）
鱼类以外的脊椎动物
–受威胁程度：
原始植被的丧失率大于70%
热带物种丰富的原因分析
•现象
–世界热带森林仅占全球面积的7%，但它包含有世界上一半以上的物种。
–这个估计仅只是根据有限的昆虫和节肢动物的样方推算，并类推出占有世界物种的大多数。
–May（1992）认为热带地区未被记录的昆虫种数约有500到3000万种。
如果该数字是正确的，意味着分布在热带森林的昆虫可能构成世界物种的90%以上。
有花植物、裸子植物、蕨类植物约有86000种产于热带美洲，38000种产于热带非洲和马达加斯加，热带亚洲包括新几内亚和热带澳洲共有45000种。
其总数约为全世界250000种的三分之二，即10万种以上的这些植物产于热带森林中。
大约有世界鸟数30%的种，即1300种产于热带美洲，热带非洲有400种，热带亚洲有900种—均依附于热带森林。
由于没有包括可能部分依赖热带森林的迁徙性鸟类。
这个数可能估计偏低。
原因
在地质时期，热带比温带具有更稳定的气候。
热带群落比温带群落古老、专化。
多数热带地区暖热和高湿度为许多不适宜温带的种类提供了良好的条件。
热带可能有来自有害生物、寄生和疾病的极大压力。
协同生存。
热带植物的异型杂交（outcrossing）率（与同种其他个体远系繁殖，以避免自花授粉）似乎较温带植物要高。
在一年内热带地区比温带地区可能接受更多的太阳能。
协同生存
1976年，德国学者哈肯创立了“协同论”，描述了系统进化过程中内部要素及其相互之间的协同行为，并指出这种协同行为是系统进化的必要条件。
协同进化理论的核心是中国古代的“相生相克”理论，即一些生物个体、种群的进化与另一些生物个体、种群的进化相互关系是相生相克的关系，它们之间通过生存竞争，各自夺取所需资源，求得自身的生存和发展；又通过协同，相互利用、共同生存、节约资源，求得生态系统的生存平衡和持续发展。
三、中国的物种多样性
•我国疆域辽阔，地形、气候复杂，南北跨越寒、温、热三带，生态环境多样，孕育了丰富的物种资源。
由于具有独特的自然历史条件，特别是第三纪后期以来，受冰川影响较小，使我国的动、植物区系具有自己的特点，保留了许多北半球其他地区早已灭绝的古老孓遗和残遗的种类。
我国是生物多样性特丰富国家之一。
在亚洲，中国维管束植物、哺乳动物、鸟类、两栖类、爬行类、鱼类及凤尾蝶类物种最为丰富。
中国的物种数量约占世界物种总数的10%左右。
其中哺乳动物占有种数为世界第5位，鸟类为世界第6位，两栖类为世界第6位，种子植物居世界第3位。
新分类群和新记录仍在不断发表和增加。
估计有昆虫15万种以上，而已定名的有4万种左右，约占总数的1/4。
相对来说，动物中的哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类及鱼类，植物中的苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物，已知种数较为清楚。
我国特有物种较为丰富，特有植物估计有15000-18000种，约占维管植物总数的50-60%，在世界上处于第7位。
特有高等脊椎动物在世界上处于第8位。
各类群中特有属、种所占比例存在较大差异。
特有物种在地理分布上也不均匀。
中国植物特有属大致有川东-鄂西、川西-滇西北和滇东南-桂西三大特有现象中心。
脊椎动物中，横断山区、青藏高原也具有较多的特有种。
我国有14个具有国际意义的陆地生物多样性关键地区，5个湿地和淡水生物多样性关键地区，11个海岸和海洋生物多样性关键地区。
（生态系统多样性中讲）
第三章生态系统多样性
ecosystemdiversity
生态系统是生物群落与其环境形成的生态复合体，是生命系统中重要的组织层次，是自然界的基本单位。
生态系统类型多样，其组成、结构、分布和动态等特征极富变化；
又为其他水平的生物多样性的研究提供有用的资料，特别是栖息地。
一、概念*concept与类型type
生态系统多样性
*指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样性以及生态系统内生境差异、生物群落和生态过程变化的惊人的多样性。
*代表各种不同生境条件下物种的群集反应。
此处的生境主要是指无机环境，如气候、地貌、地形、土壤、水文等
生境的多样性是生物群落多样性乃至整个生物多样性形成的基本条件。
生物群落的多样性主要指群落的组成、结构和动态（包括演替和波动）方面的多样化。
生态过程指生态系统的生物组分之间及其与环境之间的相互作用或相互关系，表现在系统的能流、物质循环和信息传递等方面。
是生物多样性研究的重点。
生态系统多样性是生物多样性研究的重点
•是基因到景观乃至生物圈的不同水平研究的综合。
例如，濒危物种的保护从不同水平上去探索物种濒危机制，从生境或生态系统水平上考虑保护措施；
•不同类群或不同学科研究的综合。
生态系统多样性维持机制的研究不仅注重生境更注重不同生物类群的作用及其相互关系对系统稳定性的影响。
生态系统的分类及分布规律*
•生态系统类型宏观上主要按生境性质划分。
如海洋、湿地、森林生态系统等。
•在地球上不同的地理环境中，由于太阳辐射、降水、氧分压、蒸发强度等因素的差异，发育着不同的生态系统类型。
•这些生态系统类型的分布具有纬度、经度和垂直地带性分布规律。
二、中国生态系统多样性
•中国生态系统分类多以中国植被的分类为依据，并将其分成595类生态系统：
–中国主要陆地生态系统类型
（1）森林生态系统
（2）灌丛生态系统
（包括灌草丛生态系统）
（3）草原生态系统
（4）荒漠生态系统
（5）湿地生态系统
（6）海洋与海岛生态系统
（7）农田生态系统
森林生态系统
•寒温性针叶林
•温带针阔混交林
•暖温带落叶阔叶和针叶林
•亚热带常绿阔叶林和针叶林
•热带季雨林、雨林
草原生态系统
•温带草原
–草甸草原
–典型草原
–荒漠草原
•高寒草原
•荒漠区山地草原
生物多样性的关键地区criticalarea
•是指对于生物多样性保护具有重要意义的地区。
•确定关键地区的4条原则*：
–丰富性。
热带最丰富。
–特殊性。
我国的高寒植被和常绿阔叶林。
–受威胁的程度。
濒危物种、易危物种、稀有物种、稀有物种、数量下降但未列入IUCN名录的物种。
–经济价值。
热带最高。
中国生物多样性关键地区*
具有国际意义的陆地生物多样性关键地区
I吉林长白山地区
II河北北部山地地区
III陕西秦岭太白山地区
IV四川西部高山峡谷地区
V云南西部高山峡谷地区
VI湖南、贵州、四川、湖北边境山地地区
VII广东、广西、湖南、江西南岭山地地区
VIII浙江、福建山地地区
IX台湾中央山脉地区
X西藏东南部山地地区
XI云南西双版纳地区
XII广西西南石灰岩地区
XIII海南岛中南部山地地区
XIV青海可可西里地区
具有全国性意义的陆地生物多样性关键地区
1.黑龙江内蒙古交界大兴安岭山地地区
2.内蒙古锡林郭勒地区
3.新疆阿尔泰山地区
4.新疆伊利天山地区
5.甘肃南部东祁连山地区
湿地和淡水水域生物多样性关键地区
1.东北穆棱、三江平原湿地地区
2.湖南、湖北平原湿地地区
3.贵州威宁草海地区
4.云南洱海区域
5.四川西北若尔盖湿地地区
海岸和海洋生物多样性关键地区
海南南沙群岛海区
海南西沙群岛海区
海南东南海岸珊瑚礁海区
海南文昌澜港红树林区域
广西合浦山口沙田半岛海区
广东珠江口南海海岸和海洋区域
浙江平阳南麂列岛海区
江苏盐城沿海海区
山东青岛沿海海区
山东庙岛群岛海区
辽宁蛇岛老铁山海区
景观多样性*Landscapediversity
*不同类型景观要素或生态系统构成的空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化或变异性。
•景观：
由一组以相似方式重复出现的、有相互作用的生态系统所组成的异质性的陆地区域。
•景观基本结构是由斑块（patch）、廊道（corridor）和基质（matrix）组成。
斑块是指动、植物群落或非生命物体如裸露岩石和土壤以及建筑物等。
廊道是指不同于两侧基质的狭长地带，如树墙、防护林、河流、道路等，这些大多是人类干扰所形成。
基质是景观中面积最大、连续性最高的景观要素。
三生物多样性的价值
Valuesofbiodiversity
•生物多样性强大的生态系统功能和价值
•Costanza（1997）在Nature上发表文章，估计平均每年整个生物圈可以提供价值33万亿美元的服务（ecosystemservice）
•哥伦比亚一体育场预建地有一种玉米，含有玉米7种病毒抗体中的5种
•问题：
北京沙尘暴、98年洪水、气候变暖等
3.1生物多样性的经济价值*
•消耗性使用价值（薪炭、饲料、野味等）
•生产使用价值（食品、药物、木材等）
•娱乐与生态旅游（狩猎、钓鱼、观鸟）
•环境监测（指示生物及群落）
•选择价值（潜在的如基因）
•教育和科学活动（银杏）
生物多样性的利用方式
•消耗性使用：
商业性狩猎、运动性狩猎、职业狩猎、商业性捕鱼、垂钓、渔业为生、猎皮、为获取动物及其内脏器官和宠物交易而捕猎、其他途径的非直接杀害（污染、车压）、对动物构成真正的或觉察到的威胁的根除计划。
•低消耗性使用：
动物园和动物公园、水族馆、科学研究。
•非消耗性使用：
鸟类欣赏、鲸鱼观赏、摄影旅行、散步、商业摄影以及电影摄影、公园、保护区和旅游区的动植物观察。
3.2生物多样性的生态价值*
•生态系统生产力
•生命支持系统
•涵养水源
•保护土壤
•调节气候
•对污染物质的吸收和分解
•物种关系
3.3生物多样性的伦理价值
•每一物种都有生存的权力
•所有物种均相互依存
•人类必须和其他物种一样生活在同一个生态范畴之内
•人们必须对他们的行为负责任
•资源不应浪费
•尊重人类生活和人类多样性与尊重生物多样性相一致
•自然具有超越经济价值的精神和美学价值
•生物多样性对确定生命的起源是必要的
•生物多样性的选择价值（OptionValue）。
潜在价值，持有价值。
•生物多样性的生存价值（ExistenceValue）。
“魅力动物”（charismaticanimal）。
四、生物多样性的生态系统功能
生物多样性的生态系统功能的几个假说*
–冗余种假说。
认为生态系统保持正常功能需要有一个物种多样性的域值，低于这个域值系统的功能会受到影响，高于这个域值则会有相当一部分物种的作用是冗余的。
–铆钉假说。
观点与冗余种假说相反，认为生态系统中所有的物种对其功能的正常发挥都有贡献而且是不能相互替代的。
–特异反应假说。
认为生态系统的功能随物种多样性的变化而变化，但变化的强度和方向是不可预测的，因为这些物种的作用是复杂而多变的。
–零假说。
认为生态系统的功能与物种多样性无关，即物种的增减不影响生态系统功能的正常发挥。
–关键种的概念与类型
–在生物群落中，某些种类对决定大多数其他种类在群落中的持续生存能力具有重要意义，它们的存在与否会影响到整个生态系统的结构与功能，这些物种即称这为关键种（keystonespecies）或关键种组（keystonegroup）。
–关键种的应以优先保护，因为假如其在保护地丧失，众多其他物种也会随之丧失。
–由于许多热带昆虫的取食行为表现出高度的专性，仅只靠一种或少数有关植物种维持生命。
Raven（1976）宣称每一种热带植物的灭亡会潜在性地导致一连串的灭绝事件发生，即带来10-30种昆虫的丧失。
甚至单个植物种的灭绝会消亡掉数百种昆虫。
–功能群的概念
–指具有相似的结构或功能的物种的集合，这些物种对生态系统具有相似的作用，其成员相互取代后对生态系统过程具有较小的影响。
–将生态系统中的物种分成不同的功能群可以使复杂的生态系统简化，有利于认识系统的结构与功能，弱化了物种的个别作用，从而强调了物种的集体作用。
–最简单、最容易的划分法是将所有的生物分为3个功能群，即生产者（植物和一些微生物）、消费者（动物和一些微生物）和分解者（微生物）。
植物功能群的划分：
一般依据质量特征、空间和时间上的变化3个方面的标准。
质量特征主要包括生活型、形态结构、干物质在不同器官的分配比例、生理特点（如C3和C4光合途径等）、外貌特点（生理和形态特征相结合的途径）等；
空间变化主要包括物种或其器官（如叶片和根系等）的水平和垂直分布格局；
时间变化主要指物种的生长发育节律即物候学特征。
争议
•是物种多样性还是物种组成对生态系统功能起作用？
•哪个水平的物种多样性对生态系统功能起作用？
•物种丰富度、均匀度与多样性指数
•种间差异
•功能群多样性
•功能群内物种数
•食物网复杂性
•不同水平的多样性同时“有效”
第四章生物多样性的危机
物种灭绝及其原因
第一节物种和物种的形成
speciesandspeciation
一、物种的定义definitionofspecies
•物种是能够（或可能）相互配育的自然种群的类群，这些类群与其它这样的类群在生殖上相互隔离着（Mayr1953）;
•物种是繁殖单元，由又连续又间断的居群所组成；物种是进化单元，是生物系统线上的基本环节，是分类的基本单元（陈世骧1978）。
每个物种都有一定的生活习性，要求一定的空间居住场所，这些空间分布区域大大小小，分散而互不连续，因此把物种分为居群
•实质性的物种划分标准：
生殖隔离
•实践中考虑的特征：
形态学、地理学、遗传学等。
生物学物种（Mayr1982）*
*物种是在自然界中占据特殊生态位的种群的一个生殖集群（生殖隔离）。
生物学种概念的关键是生殖隔离
•生殖隔离分两大类型：
地理隔离和生理隔离
•生态位亦是其隔离机制之一。
•生态位（Ecologicalniche），又称小生境或是生态龛kan位，生态位是一个物种所处的环境以及其本身生活习性的总称。
生物学种基本特征*
•形态学特征同一物种必须具有相对稳定的、一致的形态学特征。
•地理学特征物种以种群的形式生活在一定空间内，占据着一定的地理分布区。
•遗传学特征每一物种具有特定的遗传基因，表现为同种的个体之间可以配育，不同种之间不能配育或虽可偶然杂交但杂交的子代不具繁殖能力。
–“生殖隔离与否”在判断物种与未知种群间的关系上是关键性的条件
三、物种形成speciation
物种形成的含义*
•概念：
一个物种内部分异而产生新种的过程，为物种形成。
第二节物种灭绝
extinctionofspecies
一、灭绝的概念*
•*灭绝（extinction）：
当一个物种不再有活着的个体存在于这个世界时。
•*野外灭绝（extinctioninthewild）：
如果一个物种仅有的个体在圈养或其它人类控制的条件下存活。
–具备上述两种情况中的任一种的物种即被认为是全球灭绝。
•*局部灭绝（localextinction）：
若一个物种在其曾经生活过的某个地方再也没有被发现，但在世界其它地方仍有发现。
生态灭绝（ecologicalextinction）：
如果一个物种虽然存在，但其数量已经减少到其对同一群落中其它物种的影响可以忽略不计的地步。
第三节物种灭绝机制
一、外部机制*（生物学机制、物理学机制、人类活动）
1.生物学机制*（种间竞争、猎物动态的关系、病菌及病害的流行）
*1）种间竞争
●竞争的两种类型：
资源利用性竞争和互干涉竞争
•竞争的结果：
–两个物种或两个种群的生态位分化或占据不同的分布区
–一个物种或一个种群排挤掉另一个物种或另一个种群，造成另一物种或种群的消失。
•生态习性相似的种往往构成镶嵌型分布，使两个竞争物种可能长期共存。
•竞争可能使一个物种的地理分布范围和数量减少。
•竞争往往要伴随其他因素才会导致物种的灭绝。
–只有在特殊情况下，如较小的岛屿、重大的地质事件以及人类干扰，才有可能使一个物种或种群走向灭绝。
如在较小的岛屿上，一个新的物种的侵入有可能导致当地种的灭绝。
–仅仅是竞争这单一因素造成的物种或种群灭绝很少见
*2）猎物动态的关系
●广义的捕食者，包括草食者、肉食者和寄生虫。
●捕食者和被捕食者的关系在长期的协同进化过程中，逐步从单方的依赖变成了双方的依赖，其种群数量亦常常围绕着一个平衡点按照一定的周期摆动。
这对于维持生态系统的稳定性起着非常重要的作用。
●外界的干扰将会影响捕食者和被捕食者之间达成的上述平衡，并增加其摆动的幅度，进一步的干扰就有可能导致一个种群的灭绝，或两个种群的同时灭绝。
*3）病菌及病害的流行
•从适合度意义上讲，有毒病菌的适应性很差，这是因为有毒病菌使寄主致死或严重衰弱的同时，也不可避免地导致了自身的灭亡。
•因此，病菌的致病能力减弱，这是在长期的协同进化过程中逐步形成的。
在这一过程
升级会员 